Dietary fiber and soy protein-based microbiome metabolites for IBD prevention

基于膳食纤维和大豆蛋白的微生物组代谢物用于预防 IBD

基本信息

  • 批准号:
    10607658
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 69万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-07-03 至 2026-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Summary The precise etiology of inflammatory bowel disease (IBD) remains unknown. Despite identification of >100 human genetic polymorphisms that are thought to play a role in IBD, genetic predisposition typically explains only a fraction of disease risk. Important contributions for environmental factors—including diet and the gut microbiota—have become prominent suspects as additional disease drivers. However, the functional interconnections between these potential contributors remain unknown. Using a gnotobiotic mouse model, in which animals were colonized with a synthetic human gut microbiota composed of fully sequenced and metabolically characterized commensal bacteria, we have begun to elucidate the mechanistic interactions between dietary fiber, the gut microbiota and the colonic mucus barrier, which serves as a primary defense against encroachment by intestinal bacteria. During dietary fiber deficiency, the gut microbiota resorts to host- secreted mucus glycoproteins as a nutrient source, leading to erosion of the mucus layer. Dietary fiber deprivation, together with a fiber-deprived, mucus-eroding microbiota, promotes greater epithelial access and lethal colitis by the mucosal pathogen, Citrobacter rodentium. More strikingly, when this same synthetic microbiota is assembled in mice deficient in interleukin 10 (IL-10), a cytokine for which loss of function defects have been associated with human IBD, animals develop lethal spontaneous inflammation in the absence of an overt pathogen, but only on a low fiber diet. Our work has therefore revealed functional interconnections between diet, the gut microbiota, mucosal barrier function and spontaneous IBD development. Our central hypothesis is that there is a dynamic balance between fiber- and mucus-degrading bacteria, such that in low fiber conditions the mucus layer is increasingly eroded resulting in temporal disease progression that can be ameliorated by preventative or therapeutic fiber consumption or other bacterial metabolites that counterbalance inflammation. The proposed work will extend the findings outlined above by first measuring the respective contributions of mucin-degrading bacteria and their functions towards eroding the mucosal barrier and precipitating inflammation. We have already established that addition of several pure fibers to our fiber deficient diet reduces disease and have fortuitously discovered that inclusion of soy (but not milk) protein also reduces disease in part by promoting production of the branched chain fatty acid isobutyrate. Isobutyrate is produced from L-valine and our hypothesis is that soy protein delivers a peptide-based source of this amino acid to the colon for bacterial metabolism. Because isobutyrate is a poorly studied metabolite, we will investigate its microbial source(s) and mechanism of action in dampening host inflammation. We anticipate that our findings will provide functional insight into the constellation of genetic and environmental triggers that conspire to precipitate IBD. As such, our findings will provide paths to future research in humans, which are built on a foundation of functional knowledge of diet-microbiota interactions gathered in a tractable model.
概括 炎症性肠病(IBD)的精确病因仍然未知。尽管确定了> 100 被认为在IBD中起作用的人类遗传多态性通常会解释 只有一小部分疾病风险。环境因素的重要贡献 - 包括饮食和肠道 微生物群 - 作为其他疾病驱动因素,已成为著名的嫌疑人。但是,功能 这些潜在贡献者之间的互连仍然未知。使用gnotobiotic小鼠模型 哪些动物用由完全测序和 代谢表征的共生细菌,我们已经开始阐明机械相互作用 在饮食纤维,肠道菌群和结肠粘液屏障之间,它是主要防御 反对肠道细菌的侵占。在饮食纤维缺乏症中,肠道菌群诉诸宿主 - 分泌的粘液糖蛋白作为营养源,导致粘液层侵蚀。饮食纤维 剥夺以及纤维剥夺的粘液擦除微生物群,可促进上皮通道和 粘膜病原体的致命结肠炎,柠檬酸啮齿动物。更引人注目的是,当同样的合成 微生物群在缺乏白介素10(IL-10)的小鼠中组装,这是一种细胞因子的功能缺陷损失 与人类IBD有关,动物在没有的情况下发展致命的赞助者感染 明显的病原体,但仅在低纤维饮食上。因此,我们的工作揭示了功能互连 在饮食之间,肠道菌群,粘膜屏障功能和赞助IBD发展之间。我们的中心 假设是纤维和降解细菌之间存在动态平衡,使得在低纤维中 纤维条件粘液层越来越侵蚀,导致暂时性疾病进展 通过预防或治疗纤维消耗或其他平衡的细菌代谢来改善 炎。拟议的工作将通过首先测量亲戚来扩展上述发现 粘液降解细菌的贡献及其功能在侵蚀粘膜屏障和 炎症。我们已经确定了在我们的纤维中添加几个纯纤维 饮食不足会减少疾病,并幸运地发现,包括大豆(但不是牛奶)蛋白 部分通过促进分支链脂肪酸等丁酸的产生来减少疾病。异丁酸是 由L-缬氨酸产生的,我们的假设是大豆蛋白提供了基于肽的氨基的来源 酸到结肠进行细菌代谢。因为异丁酸是研究不良的代谢物,所以我们将 研究其微生物源和在破坏宿主注入的作用机理。我们期待 我们的发现将提供有关遗传和环境触发者星座的功能见解 共同促进IBD。因此,我们的发现将为人类的未来研究提供途径, 建立在饮食菌相互作用的功能知识的基础上,该知识以可拖动的模型聚集在一起。

项目成果

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